ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

УПРОЧНЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Из ранее сказанного следует, что пониженная проч­ность стеклянных изделий вызывается присутствием в них разрушающих термоупругих напряжений, особенно опасных при их неравномерном распределении в стекле и при наличии в его массе локальных неоднородностей. Кроме того, в современном механизированном производ­стве прочность изделий значительно снижают повреж­дения на их поверхности, возникающие в ходе техноло­гического процесса (микротрещины, царапины и т. п.). Поэтому прочность изделий можно повысить прежде всего тщательным отжигом, снимающим остаточные тер­моупругие напряжения, а также возможным улучшением химической и физической однородности стекломассы. Однако применяются и активные методы упрочнения стеклоизделий.

Одни методы упрочнения заключаются в ослаблении влияния дефектов поверхности стекла (вплоть до полно­го удаления поврежденного слоя химической обработ­кой), после чего поверхность защищают от возможных повторных повреждений.

Другие методы упрочнения состоят в изменении на­пряжений в стекле, причем таким образом, что созда­ется новое распределение и новое соотношение сжимаю­щих и растягивающих напряжений, ведущее к повыше­нию прочности и термостойкости изделий.

Упрочнение изделий путем нейтрализации дефектов поверхности стекла и ее защиты от новых повреждений. В высокопроизводительном механизированном производ­Стве изделий из стекла потери от дефектного состояния их поверхности составляют до 20 % всего выпуска.

В СССР разработана и действует на ряде заводов технология упрочнения изделий в ходе технологического процесса путем нанесения на них полимерных кремне - органических пленок. Пленки наносят путем распыле - ия водных эмульсий кремнеорганических жидкостей типа ГКЖ-84 в отжигательной печи, в зоне с температурой 150—200 °С. Кремнеорганические соединения поверхно­стно активны и хорошо смачивают стекло, легко прони­кая в малейшие микротрещины. При охлаждении изде­лий жидкость полимеризуется, образуя на их поверхно­сти сплошную твердую пленку, прочно связанную со стеклом.

Улучшенный вариант этой технологии заключается в защите поверхности изделий двумя видами покрытий. Первое покрытие — оксиднометаллическая пленка, об­разующаяся при обработке изделий парами растворов солей олова, алюминия, титана и др. Наибольшее при­менение получила обработка парами SnCU с образова­нием защитной оксиднооловянной пленки; обработку проводят при 650—700°С сразу после формования изделий в камере, расположенной над конвейером меж­ду стеклоформующей машиной и отжигательной печью. Раствор соли металла концентрацией 5—10 % распыля­ют с помощью форсунки при давлении распиливающего очищенного воздуха (29—34) 104 Па. Диффундируя в размягченную поверхность стекла, ионы металла уплот­няют ее структуру, создавая так называемый эффект «молекулярной набивки» в слое толщиной до 0,1 мм. Поверх этого уплотненного слоя по той же технологии наносят второе покрытие — наружное, кремнеоргани - ческое. Двойная защита придает изделиям гидрофоб - ность и стойкость к абразивным и ударным воздействи­ям. Вследствие этого прочность изделий повышается на 25—30 % и возрастает их надежность в процессе службы.

При другом варианте этого способа упрочнения за­щитную кремнеорганическую пленку наносят на поверх­ность изделий после того, как их подвергли химической обработке, при которой растворяется и удаляется де­фектный слой стекла толщиной около 100 мкм. Обра­ботка заключается в травлении поверхности изделий растворами или парами плавиковой кислоты (или ее смеси с серной кислотой). Этот способ может быть ре­ализован на поточной линии, он удобен для упрочне-

Ния листового стекла и по­вышает прочность в 3—4 ра­за. Возрастает также термо­стойкость изделий. Однако применение этого способа упрочнения ведет к загряз­нению воздушной среды, что препятствует широкому рас­пространению способа.

Упрочнение изделий пу­тем создания в них благо­приятного распределения напряжений. Наиболее рас­пространенные методы уп­рочнения стекла по этому принципу — закалка и ион­ный обмен.

Закалка. Быстрое охлаждение стекла, предваритель­но нагретого до пластического состояния, называется за­калкой. При такой обработке (см. рис. 10.1) в поверх­ностных слоях стекла возникают напряжения сжатия, а напряжения растяжения, особенно опасные для прочно­сти, переносятся во внутренние слои изделия.

Для уяснения причины повышения прочности стек­лянного изделия (например, пластины) при закалке об­ратимся к рис. 10.5, на котором показаны три случая рас­пределения (три эпюры) напряжений в стеклянной пла­стине: пластина закалена и не подвергается действию изгибающей нагрузки (рис. 10.5, а); пластина тщатель­но отожжена и к ней приложена изгибающая нагрузка (рис. 10.5, б); к закаленной пластине приложена изги­бающая нагрузка (рис. 10,5,в). Как видно из эпюры на­пряжений в закаленном стекле, не испытывающем внеш-. ней изгибающей нагрузки, поверхностный слой стекла оказывается сильно сжатым, причем по мере удаления от поверхности напряжения сжатия уменьшаются и на некотором расстоянии от нее, в так называемом нейт­ральном слое, они совсем исчезают. Далее расположены слои стекла, испытывающие растяжение, постепенно воз­растающее по мере приближения к середине стеклянной пластины, где оно достигает максимума. Напряжения во второй половине пластин расположены симметрично по отношению к первой.

Если по направлению вертикальной оси тщательно отожженной стеклянной пластинки, не имеющей напря­
жений, приложить изгибающую силу, но в ней возник­нут временные напряжения (рис. 10.5 б). В верхнем слое появятся максимальные усилия сжатия, постепенно уменьшающиеся по направлению к центру пластины, где они совершенно исчезают. Во второй половине пластины возникнут уже временные растягивающие напряжения, постепенно возрастающие по мере удаления от оси 0 и максимальные в нижнем слое пластины.

На рис. 10.5 в приведена схема действия той же из­гибающей силы на закаленную пластину; она получается из сложения предыдущих эпюр (см. рис. 10.5 а, б). На - лряжения, возникающие под влиянием изгибающей си­лы, складываются с уже существующими напряжения­ми. В результате этого в верхнем слое закаленной пла­стины, сжатом суммарным усилием, напряжения сжатия значительно выше, чем в отожженной пластине; кроме того, в отожженной пластине максимальные напряжения растяжения находятся на самой нижней поверхности, а максимальные напряжения растяжения закаленной пластины смещены внутрь и они значительно меньше.

Следовательно, под влиянием приложенного изгибаю­щего усилия закаленное стекло испытывает большее сжа­тие в верхнем слое и меньшее растяжение в нижнем слое, чем отожженное. Поскольку же предел прочности стек-, ла при сжатии в 10 раз больше, чем при растяжении, то понятно, почему закаленное стекло обладает повышен­ной прочностью.

Механическая прочность и термостойкость закален­ного стекла зависят от степени закалки (обозначается А), которая определяется величиной напряжений в стек­ле. Как и при контроле отжига, напряжения измеряют оптическим методом на поляриметре при просвечивании торца пластины стекла в средней плоскости. Напряже­ния в закаленных стеклах принято выражать в условных единицах — порядках на 1 см (N/см). Порядок равен 540 ммкм/см.

Степень закалки закаленных стекол с открытыми торцами может быть рассчитана по формуле Д = 11 [В—d),

Где I — разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей в средней плоскости пластины, ммкм/см; В, d — соответственно длина и толщина пластины, см.

Чем выше степень закалки, тем выше механическая прочность и термостойкость стекла. Степень закалки оп­ределяет также характер разрушения стекла. С увели­чением степени закалки стекла разбиваются на все бо­лее мелкие осколки, грани которых являются тупыми, нережущими. Вследствие этого закаленное стекло при разрушении безопасно. В зависимости от степени закал­ки и характера разрушения различают три основные группы закаленных стекол: сильно закаленное — сверх­прочное (А более 4 N/см), закаленное (А2—4 N/см) и полузакаленное (Д до 2 N/см). Первое из них при раз­рушении дает мельчайшие осколки чешуйчатой формы, вплоть до порошкообразных частиц, второе — мелкие осколки округленной формы с нережущими гранями и третье — остроугольные осколки удлиненной формы.

В процессе закалки основное значение имеют режи­мы нагревания и охлаждения. Прежде всего изделие не­обходимо равномерно нагреть до так называемой тем­пературы закалки. Температура закалки зависит от хи­мического состава стекла и всегда выше температуры стеклования Tg. Под температурой закалки понимают оптимальную температуру, выше которой при данном ре­жиме охлаждения не наблюдается увеличения степени закалки. Если стекла нагревают до температуры ниже температуры закалки, то степень закалки получается низкой, и это вызывает самопроизвольное разрушение стекла в процессе охлаждения. Для листового стекла вертикально го вытягивания температура закалки равна 630—650 °С. Время нагревания зависит от толщины стек­ла и составляет 36—50 с на 1 мм толщины стекла. На­пример, продолжительность нагревания стекла толщи­ной 6 мм 3 мин 40 с — 5 мин. Режимы охлаждения под­бирают с учетом того, что степень закалки зависит в основном от скорости потоков воздуха на поверхности стек­ла, толщины стекла и его химического состава. Охлаж­дение должно быть равномерным.

Закаленное стекло отличается от обычного значитель­но большей прочностью на удар и изгиб. Закаленный лист стекла толщиной около 6 мм выдерживает удар падающего шара массой 0,8 кг с высоты 2 м. Прочность на изгиб повышается в 4—5 раз до значения не менее 125 МПа. Закаленное стекло имеет повышенную термо­стойкость и выдерживает резкие изменения температуры до 270 °С, тогда как обыкновенное стекло растрески­вается при разности температур 70 °С. Закаленное плос­кое и гнутое стекло применяют для остекления автомо­билей. Выпускают также закаленные трубы, шахтные стекла, изоляторы и тому подобные изделия.

Упрочнение стекла методом ионного обмена. Процесс
ионного обмена заключается в вытеснении ионов щелоч­ных металлов из поверхностного слоя нагретого пластич­ного стекла ионами других щелочных металлов. Для этого стекло погружают в расплав соли диффундирую­щего щелочного металла при температуре ниже высшей температуры отжига с тем, чтобы возникающие напря­жения не релаксировали, но сохранялись в стекле. Ион­ный обмен может быть низкотемпературным, высокотем­пературным и комбинированным (двойным).

При низкотемпературном ионном обмене (темпера­тура расплава 420 °С) щелочные ионы в поверхностном слое стекла замещаются щелочными ионами с большим ионным радиусом. Так, ионы Na+ с радиусом 0,098 нм замещают обычно ионами К+ с радиусом 0,133 нм. При этом полости кремнекислородного каркаса в структуре стекла уменьшаются и структурная сетка поверхност­ного слоя стекла уплотняется на глубину 30—40 мкм. Это приводит к возрастанию механической прочности стекла в 3—4 раза, а термостойкости в 1,5—2 раза.

При высокотемпературном ионном обмене (темпера­тура расплава 620 °С) щелочные ионы в поверхностном слое стекла в противоположность низкотемпературному процессу замещаются щелочными ионами с меньшим ионным радиусом. Так, ионы Na+ и К+ стекла замеща­ются ионами лития из расплава Li2S04 с ионным радиусом 0,068 нм, которые способны проникать в стекло на глу­бину до 250 мкм. Силикаты лития имеют меньший ко­эффициент термического расширения, чем силикаты на­трия и калия; поэтому при охлаждении стекла диффу­зионный поверхностный слой сокращается в меньшей степени, чем внутренние слои: следовательно, в нем по­являются напряжения сжатия, которые приводят к уве­личению механической прочности и термической стой­кости стекла. В связи с тем, что толщина сжатого слоя при высокотемпературном ионном обмене больше, чем при низкотемпературном, упрочнение в этом случае мо­жет быть 10—12-кратным. Дополнительного упрочнения можно достичь при обработке стекла, упрочненного ионами лития, в расплаве соли калия. Разница между ионными радиусами Li+ и К+ больше, чем в случае Na+ и К+„ что и дает значительный упрочняющий эффект.

В нашей стране упрочнение за счет ионного обмена нашло промышленное применение в низкотемператур­ном варианте.

13—468